淺談利用CFD仿真分析車輛冷卻系統(tǒng)

方升

摘要：在能源危機(jī)、排放法規(guī)日趨嚴(yán)格和乘坐舒適性要求的提高背景下，對(duì)車輛熱管理的要求越來越高。本文主要就汽車?yán)鋮s系統(tǒng)換熱性能做數(shù)據(jù)收集工作，性能邊界數(shù)據(jù)包括試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真分析結(jié)果，文中利用試驗(yàn)測(cè)試與仿真分析手段對(duì)水泵性能數(shù)據(jù)、節(jié)溫器性能數(shù)據(jù)和散熱器性能數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算。并將分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證分析精度，根據(jù)分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，分析結(jié)果具有足夠的精確度，CFD仿真分析方法可以應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)中，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：熱管理;CFD仿真分析;性能測(cè)試;冷卻系統(tǒng);對(duì)比

0? 引言

車輛熱管理研究涉及多種邊界條件，首先通過計(jì)算及測(cè)試手段獲取各性能數(shù)據(jù)，換熱分析常涉及如各換熱元件的性能參數(shù)、熱管理工況點(diǎn)、各個(gè)部件的換熱量、發(fā)動(dòng)機(jī)水套本體性能和換熱部件的空氣量邊界等。不同類型的數(shù)據(jù)獲取方式不一樣，零部件性能數(shù)據(jù)可以利用臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試得到，一些無法試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)可以通過仿真分析確定。接下來就部分部件測(cè)試過程及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行講解，主要部件為水泵、節(jié)溫器、散熱器。

1? 冷卻模塊性能數(shù)據(jù)分析與測(cè)試

冷卻模塊主要包括冷卻水泵和節(jié)溫器，其中水泵主要的功用是對(duì)冷卻液進(jìn)行加壓，保證冷卻液在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，汽車中常用離心式水泵，主要結(jié)構(gòu)包括水泵蝸室、葉輪、旋轉(zhuǎn)軸及進(jìn)出水口等結(jié)構(gòu)。冷卻模塊另一個(gè)結(jié)構(gòu)為節(jié)溫器，節(jié)溫器是控制冷卻液流動(dòng)路徑的閥門，節(jié)溫器根據(jù)冷卻液溫度的高低來控制冷卻液是否流向散熱器。

1.1 冷卻模塊的仿真分析

首先確定冷卻模塊中的水泵和節(jié)溫器性能數(shù)據(jù)，為了驗(yàn)證這兩個(gè)部件性能數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，首先對(duì)這兩個(gè)部件進(jìn)行仿真分析，獲取節(jié)溫器流阻性能數(shù)據(jù)和水泵單體性能數(shù)據(jù)，然后再利用臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

冷卻模塊CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）首先依據(jù)三維幾何模型進(jìn)行流體域的抽取，然后再通用有限元軟件中進(jìn)行幾何處理和面網(wǎng)格的劃分，接著在流體軟件中生成流體網(wǎng)格并將邊界條件輸入，最后進(jìn)行CFD分析以及計(jì)算結(jié)果的查看。

首先對(duì)冷卻模塊進(jìn)行流體域的抽取，將冷卻模塊流體域各進(jìn)出口進(jìn)行了標(biāo)注，該結(jié)構(gòu)主要包括節(jié)溫器和水泵兩部分。然后對(duì)冷卻模塊進(jìn)行模型處理及網(wǎng)格劃分，最后生成流體域，為了保證分析結(jié)果準(zhǔn)確性，需要保證網(wǎng)格具有較好的質(zhì)量，最后給定不同的流量和壓力邊界進(jìn)行冷卻模塊的CFD分析。

根據(jù)不同流量和壓力邊界下的分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)出節(jié)溫器流阻性能曲線和水泵單體性能數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖1所示。其中圖2為節(jié)溫器流阻特性仿真結(jié)果。圖3為水泵單體性能仿真分析結(jié)果，水泵揚(yáng)程數(shù)據(jù)與系統(tǒng)阻力情況直接決定系統(tǒng)流量分配情況。

1.2 冷卻模塊試驗(yàn)

為了保證節(jié)溫器流阻數(shù)據(jù)和水泵單體性能數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行節(jié)溫器單體臺(tái)架試驗(yàn)和水泵單體性能臺(tái)架試驗(yàn)。

首先進(jìn)行節(jié)溫器單體性能試驗(yàn)。通過壓差傳感器測(cè)量測(cè)試部件兩側(cè)的壓差，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)測(cè)試系統(tǒng)阻力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變流量測(cè)試，通過流量計(jì)獲得通過測(cè)試部件的流量大小，系統(tǒng)中的泵部件為動(dòng)力部件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量的流動(dòng)，水箱對(duì)多余的液體進(jìn)行儲(chǔ)存及加熱的作用。最后進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)處理并繪制成節(jié)溫器壓損特性曲線，具體數(shù)據(jù)如圖2和圖3所示，根據(jù)圖中仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比可知，兩組數(shù)據(jù)偏差在10%以內(nèi)，說明仿真結(jié)果具有足夠的精度，也說明測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果可信，可以應(yīng)用于后續(xù)計(jì)算中。

水泵單體性能試驗(yàn)臺(tái)架的主要結(jié)構(gòu)包括控制柜、儲(chǔ)水箱、水泵安裝臺(tái)、傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制閥。驅(qū)動(dòng)電機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)通過皮帶連接，進(jìn)行水泵單體性能測(cè)試，并對(duì)每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保證數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與CFD仿真分析結(jié)果對(duì)比可知，兩組數(shù)據(jù)在各流量點(diǎn)下對(duì)應(yīng)較好，數(shù)據(jù)具有足夠的精度，該測(cè)試數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于后續(xù)冷卻系統(tǒng)換熱分析中。

2? 散熱器性能測(cè)試及分析驗(yàn)證

散熱器是由進(jìn)水室、出水室和散熱器芯體組成，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前的車架橫梁上，其作用為將冷卻液在水套中吸收的熱量傳遞給外界環(huán)境，進(jìn)而達(dá)到降低水溫、保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的目的。散熱器因?yàn)槌袚?dān)著系統(tǒng)主要散熱的作用，其性能數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確系統(tǒng)直接影響換熱分析結(jié)果的精度。散熱器主要的性能為換熱性能曲面、水側(cè)流動(dòng)阻力和風(fēng)側(cè)流動(dòng)阻力。

2.1 散熱器單體試驗(yàn)

散熱器單體試驗(yàn)測(cè)試條件為：液氣溫差60℃，水流量分別為80L/min、100L/min和120L/min，風(fēng)速分別為2m/s、4m/s、6m/s和8m/s，冷卻液為50%的乙二醇溶液。

搭建好單體性能臺(tái)架，對(duì)散熱器進(jìn)行性能測(cè)試，得到具體測(cè)試結(jié)果如表1所示，表中主要參數(shù)為不同水流量下的散熱器水側(cè)阻力，不同風(fēng)速邊界下的散熱器風(fēng)側(cè)阻力和不同邊界下的散熱器換熱量數(shù)據(jù)。然后對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到該車型的散熱器換熱性能曲面、散熱器風(fēng)側(cè)阻力、散熱器水側(cè)阻力。

2.2 散熱器CFD分析

這三組數(shù)據(jù)直接決定散熱器的性能，對(duì)冷卻系統(tǒng)仿真分析及發(fā)動(dòng)機(jī)艙的CFD分析結(jié)果的準(zhǔn)確性均有著重要的影響。所以為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及進(jìn)行模型的校核，搭建散熱器單體仿真分析模型，將試驗(yàn)邊界數(shù)據(jù)輸入到分析模型中，進(jìn)行散熱器單體性能的CFD分析，取風(fēng)速8m/s、冷卻液流量120l/min、進(jìn)水溫度為90℃、進(jìn)風(fēng)溫度為30℃的試驗(yàn)工況。進(jìn)行散熱器雙流模型的CFD分析，根據(jù)溫度場(chǎng)分布可知與實(shí)際溫度分布預(yù)期相似。

3? 結(jié)論

該工況下散熱器的換熱量數(shù)據(jù)如圖4所示，計(jì)算邊界下最終換熱量數(shù)據(jù)平衡到56800W，而試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)為56.2kW，仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好，說明結(jié)果具有足夠的精確度，可以進(jìn)一步應(yīng)用于汽車?yán)鋮s系統(tǒng)仿真分析及發(fā)動(dòng)機(jī)艙CFD分析中。

參考文獻(xiàn)：

[1]李飛，施鵬飛，于劍澤.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇對(duì)機(jī)艙熱管理影響的研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（14）：95-98.

[2]王俊昌，王飛.汽車高低溫散熱器連接方式對(duì)散熱影響的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2019（03）：212-216.

[3]何星，周梓發(fā)，章凱，李廳.高原環(huán)境對(duì)車輛柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)性能影響分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（22）：28-31.

[4]劉佳鑫，王寶中，龍海洋，蔣炎坤.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能評(píng)估方法及正向設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2017（05）：6-10.